無人機的擴散不斷增長，其應用范圍廣泛，從業余愛好到商業和工業領域，再到最先進的軍事應用。無人機的優點是能夠遠程操作，因此可以飛越難以親近，危險或不便的區域。在商業領域中的應用是多種多樣的：農業，植物和建筑物的監控，射擊區域，甚至是包裝，藥品或必需品的交付。在未來幾年中，很可能會發現無人駕駛飛機的新用途和進一步用途，屆時它們將不再被視為玩具或小工具，而是被視為改善我們生活質量的寶貴工具。

電子速度控制

本文重點介紹通常配備無刷直流電動機的中型和高級無人機。這類電動機需要仔細連續地調節速度和相對旋轉方向。在某些情況下，還需要實現真正的動態制動。負責這些功能的電路是ESC（電子速度控制器），通常由電源級，用于檢測電流的電路，微控制器和與飛行控制器的通信接口組成（圖1）。ESC的設計涉及以下一系列重要功能：

• 用于電機控制的拓撲；
• 在成本和效率之間折衷（因此需要時間）；
• 無人機上安裝的電池類型；
• 所需的性能（例如，最大可控電動機速度）；
• 電磁兼容性（EMC）和抗干擾性。

圖1：無人駕駛飛機的方框圖

有兩種適用于無人機的無刷電動機：DC無刷電動機（BLDC）和AC無刷電動機（BLAC），也稱為永磁同步電動機（PMSM）。使用哪種類型的電動機通常取決于所選的控制算法：梯形或磁場定向控制（FOC）。更準確地說，梯形電動機控制算法具有以下特征：

• 基于六步換向序列的電機控制；
• 檢測轉子的磁角，以正確的角度進行換向（每個步驟對應于60度角）；
• 在沒有傳感器的情況下，換向角通過測量相電壓反電動勢來估算。

相反，FOC控制算法具有以下功能：

• 通過正弦相電壓或電流（FOC）控制電機；
• 以1至5度之間的最小精度檢測轉子的磁場角，以始終確保最大轉矩；
• 在沒有傳感器的情況下，轉子磁角是根據電動機的相電壓和電流估算的。

與基于機械速度傳感器的替代方案相比，無傳感器控制系統通常更為可取，因為它可以保持較低的項目成本并有助于提高系統的魯棒性。

設計注意事項

用于在不同功率級之間進行換向的PWM信號根據所選控制的類型而變化。圖2顯示了去除PWM載波后獲得的濾波后的相電壓，涉及梯形和正弦電動機控制技術的情況。

圖2：用于梯形和正弦換向的波形比較

由于每個相之間的突然變化，梯形控制會受到問題（問題）的影響，這會產生轉矩波動和電流尖峰，從而降低效率并產生振動。在電級別，ESC的DC總線電壓在7.4V和22.4V之間，而鋰聚合物電池（LiPo）的電流在10A和20A之間。為了將干擾降到最低，用于相之間換相的PWM頻率在30kHz至60kHz之間。一旦選擇了控制算法，就必須決定是在開環還是閉環中進行控制。

圖3：具有無傳感器控制的無刷電機的ESC

閉環控制是優選的，因為通過測量使電動機執行期望的位移所需的電流，相對于開環解決方案可以獲得更高的效率和精度。在梯形控制的情況下，僅必須測量一個并聯電流，而在正弦控制的情況下，必須測量多達三個并聯電流（圖3）。使用閉環控制時，必須對算法進行調整，以使電動機在高轉速下（即超過12kRPM）保持穩定。

商用無人機解決方案

用于無人機的ESC設計需要高級組件，這些組件專門設計用于以最大速度驅動高速電動機。德州儀器（TI）開發了一個名為InstaSPIN的MCU系列，這使三相電機控制應用的設計更加容易。適用于無傳感器系統的InstaSPIN-FOC具有快速軟件編碼器，可對任何三相電動機進行轉矩和速度控制。取而代之的是將InstaSPIN-MOTION用于傳感器系統，并為任何三相電動機提供位置，速度和轉矩控制。除MCU之外，TI還提供其他適用于ESC設計的產品，例如NexFET系列功率MOSFET和帶有三個集成式電流分流放大器的DRV8305三相柵極驅動器。

InstaSPIN隨附高壓電機控制套件，這是用于學習和試驗高壓電機數字控制的完整參考設計。該平臺基于革命性的InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION電機控制技術，包含TI C2000 InstaSPIN 32位微控制器（圖4）。它使開發人員可以快速識別，自動調整和控制三相電動機，從而快速提供穩定且功能強大的電動機控制系統。該套件是出色的全方位電機逆變器設計工具，展示了對最常見類型的高壓三相電機（包括交流感應（ACI），無刷直流（BLDC）和永磁體）的無傳感器和基于編碼器的控制同步電動機（PMSM和IPM）。

意法半導體還為電子速度控制器（ESC）提供了完整的參考設計，實現了無傳感器FOC算法。適用于電子速度控制器的STEVAL-ESC001V1參考設計適用于入門級商用無人機設計，并驅動由6S LiPo電池組或任何等效的直流電源供電的任何三相無刷（或PMSM）電動機，峰值電流高達30 A 。該STEVAL-ESC001V1借助完整的預配置固件包（STSW-ESC001V1），設計人員可以實現無傳感器的磁場定向控制算法，該算法具有3分流電流讀取，速度控制和完全主動制動功能，從而使設計人員能夠快速開發其應用程序。參考設計板可以通過PWM信號接受來自飛行控制器的命令，但也可以使用其他通信接口，例如UART，CAN和I2C。

圖4：DRV8305的簡化電路

該參考文獻包括工作在5V電壓的電池消除器電路，用于溫度測量的NTC傳感器以及用于過流和過壓保護（OCP / OVP）的電路。小巧的外形和電流能力使該參考設計適用于小型輕型無人機（如專業無人機）上的電子速度控制器。STSW-ESC001V1固件/軟件包以及STM32 PMSM FOC軟件開發套件– MC庫可通過作用于STM32 MCU中嵌入的磁場定向控制參數來優化電子速度控制器設計，并利用ST電動機輪廓儀來檢索相關電動機參數迅速。ST無傳感器FOC算法適合任何三相BLDC或PMSM電機應用，從而確保更長的飛行時間和最佳的動態性能。

結論

無人機電子速度控制器對于在中小型商業無人機中提供電動機速度控制至關重要。使用最廣泛的解決方案之一是基于用于控制三相無刷電動機的無傳感器FOC技術。對于具有更高精度和更好速度控制器的傳感解決方案，無傳感器解決方案具有成本低，重量輕的優點，這是任何中小型無人機的兩個關鍵因素。

編輯：hfy